結構臺風災害風險評估的研究進展

風災是人類面臨的主要自然災害之一，主要包括臺風（風、風暴、強熱帶等）。根據(jù)瑞典聯(lián)合局的統(tǒng)計，在20世紀70年代至2007年造成的最大風險災難中，臺風造成的八個問題中，一個與臺風有關。中國是世界受臺風影響最大的國家之一。臺風災害的總趨勢是人員嚴重受傷，但經(jīng)濟損失正在增加。風災損失的主要部分通常由各種技術結構的破壞造成。在不同的地區(qū)，不同類型的技術結構中的風災損失主要是出于風和受影響的類型。然而，在世界范圍內(nèi)，臺風影響下建筑結構尤其是下層建筑的破壞，已成為評價當前結構風災的主要重點。筆者總結評述近幾十年來國內(nèi)外在建筑結構臺風災害風險評估方面的研究成果,其研究思路和方法,也可為其他致災性風暴及其他結構的風災評估借鑒參考.限于篇幅,僅列出主要參考文獻.1研究成果與評估方法結構臺風災害風險評估是指,對于一定臺風易發(fā)區(qū)域內(nèi)的工程結構,評估其在未來一定時段內(nèi)遭受不同強度臺風災害的可能性及其后果.20世紀60年代起美國等國家先后開展了臺風災后調(diào)查.此后,大量科研人員和機構進行了結構臺風災害風險評估的理論和應用研究,并取得豐富成果.研究范圍涉及臺風危險性分析、承災體研究、結構易損性評估、損失估算、減災措施評估等.評估對象方面,現(xiàn)有成果以建筑結構為主[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11],并涉及戶外廣告牌、輸電系統(tǒng)等.評估方法上,經(jīng)歷了從定性到定量、從經(jīng)驗到解析、從靜態(tài)到動態(tài)的發(fā)展.評估工具方面,地理信息系統(tǒng)得到廣泛應用,開發(fā)了評估軟件,綜合應用了當前臺風風險評估的主流技術.商業(yè)化評估軟件出現(xiàn)于20世紀80年代;技術細節(jié)對外公開的非商業(yè)軟件出現(xiàn)于本世紀初,有代表性的是2004年加入颶風風險評估功能的美國多自然災害評估系統(tǒng)HAZUS-MH(HAZards,U.S.MultiHazard)、2006年發(fā)布的佛羅里達公共颶風損失評估模型(Floridapublichurricanelossprojectionmodel,FPHLPM).2臺風致災屬性的定義一般認為,臺風致災因子有強風、暴雨,以及包括風暴潮、海浪等在內(nèi)的次生海洋效應.目前研究中主要考慮強風作用,較少涉及其他因素.臺風危險性(typhoonhazard)描述未來臺風災害可能發(fā)生的空間、時間及強度屬性,通常采用某一區(qū)域一定時間內(nèi)致災因子強度的超越概率定義.以臺風風速為例,當不計風向因素時,臺風強風危險性可用下式定義:Pt(v>V)=1?∑x=0∞P(v<V|x)pt(x)(1)Ρt(v>V)=1-∑x=0∞Ρ(v<V|x)pt(x)(1)式中:Pt(v>V)為時間t內(nèi)臺風極值風速v超過某一值V的概率;P(v<V|x)為x次臺風發(fā)生時極值風速v小于V的概率;pt(x)為時間t內(nèi)發(fā)生x次臺風的概率.2.1概率分布模型由于目前實測臺風風速數(shù)據(jù)較少,難以通過實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析進行臺風強風危險性評估.Russell最早提出采用數(shù)值方法模擬生成臺風風速,經(jīng)后續(xù)研究者改進和發(fā)展,被廣泛接受,并已用于中國東南沿海城市的臺風危險性分析.模擬的基本過程是:利用已發(fā)生臺風的記錄數(shù)據(jù),統(tǒng)計得到臺風關鍵參數(shù)的概率模型,根據(jù)成熟臺風的物理模型,用蒙特卡洛模擬產(chǎn)生臺風極值風速序列,確定相應于某一重現(xiàn)期的極值風速.臺風關鍵參數(shù)是模擬臺風發(fā)生及風場所依據(jù)的物理參數(shù),包括特定地點的臺風年發(fā)生率、臺風移動方向角、臺風路徑與模擬點間的最小距離、臺風移動速度、最大風速半徑和臺風中心氣壓差等.研究者已提出了各參數(shù)的一些常用概率模型.采用擬合優(yōu)度檢驗,可從備選模型中選擇模擬抽樣時所用的概率分布模型.臺風的物理模型描述臺風路徑、風場內(nèi)空氣微團的運動平衡、風場風壓分布、邊界層內(nèi)的風速剖面、邊界層紊流特征、登陸臺風衰減特性等.20世紀以來,研究者提出一些工程領域適用的臺風模型,如Rankine渦旋模型及其修正模型、Chow模型、Batts模型、Holland模型及其修正模型、Shapiro模型、Georgiou模型、YanMeng模型、CE模型及其改進模型、Vickery模型.文獻對上述部分臺風模型進行了評述.根據(jù)模擬得到的臺風風速推算極值風速,常用階段極值采樣法(stageextrememethod)和越界峰值法(peak-over-thresholdmethod)進行樣本抽樣.前者一般采用1年時間間隔,得到年極值風速序列的經(jīng)驗分布和不同重現(xiàn)期的對應風速,以經(jīng)驗分布為標準衡量其他概率分布模型描述年極值風速的優(yōu)劣程度.目前,臺風極值風速概率模型包括極值Ⅰ型分布(Gumbeldistribution)、極值Ⅲ型分布(reverseWeibulldistribution)、對數(shù)正態(tài)分布(lognormaldistribution)、威布爾分布(Weibulldistribution)等.越界峰值法可在較短風速序列基礎上估計極值風速,與之關聯(lián)的概率分布模型一般采用廣義跨閾分布(generalizedParetodistribution),這種分布不是以年為基準期的最大風速分布,但可用于推算不同重現(xiàn)期的風速.2.2結構臺風的降雨化模型臺風災后調(diào)查表明,建筑物圍護結構破損是主要的破壞形式.圍護結構破壞后,雨水進入室內(nèi),可使總損失激增.目前在結構臺風災害評估中,僅有較為簡單的臺風降雨量化模型.HAZUS-MH根據(jù)歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)建立了計算某一區(qū)域降雨量的經(jīng)驗方法,將降雨量作為臺風最大風速半徑、估算點與臺風中心距離的函數(shù),并考慮臺風中心氣壓變化、臺風移動速度、臺風登陸等因素對其修正.2.3臺風風速和風暴潮聯(lián)合概率分布目前關于臺風風暴潮、海浪等海洋效應的研究主要集中在海洋科學、水文學等領域.在結構臺風災害風險評估中,有少量臺風風暴潮、海浪的危險性分析.Phan和Simiu研究了風速與風暴潮的聯(lián)合概率分布,風暴潮模擬采用美國國家海洋及大氣管理局的SLOSH(Sea,Lake,andOverlandSurgesfromHurricanes)數(shù)值模式.Wang和Vickery同時考慮了臺風風速和海浪的危險性,采用了Wavewatch-Ⅲ和SWAN海浪模式.美國加勒比海減災項目(Caribbeandisastermitigationproject)建立了TAOS颶風災害評估系統(tǒng),綜合分析了強風、降雨、風暴潮、海浪等致災因子危險性.3建筑表粗糙度ha-mh承災體(exposure)包括研究區(qū)域的地形環(huán)境、建筑、基礎設施、生命線工程、人員等.一般需建立承災體信息的數(shù)據(jù)庫,并及時更新,以盡可能反映當前狀況.地形通常采用地表粗糙度定義.HAZUS-MH和FPHLPM以土地使用和覆被(landuseandlandcover,LULC)分類為基礎,對每一類用地賦以合適的地表粗糙度值,形成地表粗糙度地圖.建筑物的信息包括位置、類型、數(shù)目、面積、高度、房齡、用途、價值以及相關的人口狀況等.HAZUS-MH根據(jù)結構易損性和建筑用途對建筑物分類,統(tǒng)計數(shù)據(jù)來自各級政府相關部門的數(shù)據(jù)庫及商業(yè)數(shù)據(jù)庫.FPHLPM將住宅劃分為現(xiàn)場建造房屋和移動房屋,并分別細分成若干子類;數(shù)據(jù)來源包括一些機構的數(shù)據(jù)庫、相關文獻和災后調(diào)查.4結構破壞程度與臺風強度關系結構易損性(structuralvulnerability)描述結構破壞程度與臺風強度的關系,其評估方法有定性、定量2類;定量方法包括經(jīng)驗分析法、邏輯假設法、結構可靠度法和人工智能法等.實際評估中,可聯(lián)合使用多種方法.4.1大數(shù)據(jù)分析為各類評估方法提供理論基礎和評估依據(jù),為各種評估方法提供理論基礎和實踐依據(jù)美國、澳大利亞、日本、中國等國家開展了臺風災后現(xiàn)場調(diào)查和遙感調(diào)查.通過調(diào)查,可獲得受災地區(qū)的結構分布數(shù)據(jù),直觀了解結構的破壞模式和破壞程度,為各種評估方法提供理論基礎、數(shù)據(jù)來源或評估結果的校驗依據(jù).4.2主觀性和不確定性這類方法定性描述結構可能遭受的破壞和損失程度與結構分類或臺風強度的關系.定性評估方法較為簡單,評估時需要了解的結構特性信息較少,可被非專業(yè)人員掌握,但僅能粗略評定結構易損性,難以建立描述破壞程度與風速關系的連續(xù)性曲線,評估的主觀性和不確定性較大.4.3結構的易損性評估經(jīng)驗分析法應用較早,其思路是根據(jù)臺風災后調(diào)查得到的損失數(shù)據(jù),利用曲線擬合得出表示某類結構的整體破壞程度與風速關系的易損性函數(shù)曲線(vulnerabilitycurve).這種方法不分析單獨構件的易損性,是一種直接計算法(directapproach).常見的衡量破壞程度的指標有:破壞率(damageratio)或破壞指數(shù)(damageindex),定義為結構的修復或重置成本與初始建造價值之比;損失率(lossratio),定義為保險公司賠付的受災結構損失額與受保財產(chǎn)總值之比;賠償率(claimratio),定義為需要賠償?shù)奈飿I(yè)數(shù)目與投保的物業(yè)總數(shù)之比.擬合得到的易損性曲線有線性函數(shù)、分段函數(shù)、雙指數(shù)函數(shù)、多項式函數(shù)等形式.利用易損性曲線,可以預測結構在一定強度臺風下的易損性.經(jīng)驗分析法適合于一定區(qū)域內(nèi)某一類群體結構的臺風災害預測,計算量小,是一種相對簡單的定量評估方法,所得到的易損性曲線可在一定程度上驗證其他評估方法的合理性.這種方法需要足夠的損失數(shù)據(jù),才能保證曲線擬合的可靠性.但是通過災后調(diào)查獲取大量可用的損失數(shù)據(jù)往往是困難的,并且與較高風速段對應的損失數(shù)據(jù)很有限,以此來預測低頻度、高強度的臺風災害,具有難以克服的缺陷;所得的易損性函數(shù)高度依賴于數(shù)據(jù)來源地的結構特性,難以用于評估其他地區(qū)、其他結構的易損性;難以分析設計規(guī)范變化、施工工藝變更、結構老化及修繕等因素對結構易損性的影響.4.4風災破壞及損失計算式為了克服經(jīng)驗分析法需要大量歷史數(shù)據(jù)的缺陷,文獻基于邏輯假設(logicalhypotheses),提出了一定區(qū)域內(nèi)不同類型結構風災破壞和損失的計算表達式.由于表達式中的部分參數(shù)憑借專家經(jīng)驗確定,進行其他地區(qū)、其他結構的易損性評估時,需重新確定參數(shù),使其應用范圍受限.4.5結構易損性評估結構可靠度法是基于構件分析的方法(componentapproach),通常將單個建筑分解為一些主要構件,如屋面覆材、屋面板、墻體、門窗等,建立確定性或概率性風荷載模型、構件抗力概率模型、飛擲物(wind-bornedebris)沖擊破壞概率模型,基于結構可靠度理論,采用故障樹分析、蒙特卡洛模擬、解析方法等估算各類構件的易損性.將構件易損性轉換到整體結構易損性有2種方法:文獻建立描述結構整體破壞等級與構件破壞程度關系的破壞矩陣,根據(jù)構件的易損性和破壞矩陣得出整體結構的易損性;文獻則由構件易損性、構件成本系數(shù)、構件破壞局部化參數(shù)相乘累加得出整體結構的破壞程度.計算得到的結構易損性曲線有2種形式:平均破壞易損性曲線(vulnerabilitycurve),表示結構平均破壞水平與風速的關系;超越破壞易損性曲線(fragilitycurve),表示結構破壞超過某一特定破壞等級的概率與風速的關系.圖1是某類屋面板的平均破壞易損性曲線和超越破壞易損性曲線.這種方法是真正基于概率意義上的易損性評估方法;可靈活應用于不同類型的單體結構和群體結構的易損性評估;評估過程中,可以考慮地形、風向、臨近建筑物干擾、建筑物封閉狀態(tài)改變等因素;能夠計算構件易損性和飛擲物沖擊破壞,研究不同構件破壞的依賴關系,分析結構的破壞模式;能定量分析提高構件性能、加裝防護構件、改變規(guī)范要求等減災措施的效果;可以及時采用工程界在風荷載、構件抗力、飛擲物等方面的最新研究成果,以改進評估模型.由于這種方法的眾多優(yōu)點,自20世紀90年代提出以來,已發(fā)展成為結構風災易損性評估的主流方法.但是這種方法復雜、計算量大.4.6基于用戶體驗的易損性分析在結構風災易損性評估中應用的人工智能技術有專家系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡.前者內(nèi)置大量專家在風災評估領域的知識和經(jīng)驗,按照一定規(guī)則進行推理,可由一般用戶通過用戶界面獲得專家級水平的評估結論.人工神經(jīng)網(wǎng)絡具有自學習和自適應能力,用其他方法獲得有限多種影響因素組合下的易損性評估結果后,以此作為訓練樣本,分析影響因素與易損性之間的潛在規(guī)律,可以推算出新的組合情況下的易損性.5結構風災損失的計算結構因臺風造成的總損失一般包括結構自身破壞造成的損失、內(nèi)部財物損失和結構不能使用造成的損失.在此基礎上,考慮免賠額、保單限額等保單條件后得出保險損失.HAZUS-MH計算外部構件損失、內(nèi)部構件損失、內(nèi)部財物損失、建筑停用造成的損失.FPHLPM有更詳細的分類.Kumar認為與易損性評估相類似,損失估算的思路有直接計算法和構件分析法.前者首先計算整體結構的易損性,然后用結構整體破壞程度指標與結構總價值或總保險價值、總保單數(shù)相乘累加,以估算風災損失;后者得到不同構件的易損性后,先將以物理狀態(tài)描述的構件破壞程度轉換為貨幣化的構件損失率,再估算其他損失.文獻使用直接法估算保險損失.HAZUS-MH和FPHLPM均采用構件分析法計算經(jīng)濟損失.6抗風能力的提高為了降低臺風造成的損失,研究者提出了一些減災措施,如:選擇對建筑抗風有利的場地;改進設計施工標準或規(guī)范以提高結構抗風能力;選擇合理的房屋體型;提高圍護結構的抗風和防水性能;消除飛擲物來源等.減災措施的應用會造成結構成本的變化,只有當增加的成本低于降低的風災損失時,減災措施才具有成本效益.研究者普遍借助于結構易損性和損失評估方法,模擬、比較實施減災措施前后的破壞程度和經(jīng)濟損失,判斷減災方法的合理性.7建筑易損性變化模型事實上,某一區(qū)域的臺風氣候、承災體分布、結構易損性和潛在損失是不斷變化的.一些研究考慮了結構臺風災害風險評估的動態(tài)性.Walker對建于1980年前后的北昆士蘭住宅,用經(jīng)驗分析法分別給出不同的易損性函數(shù),以考慮規(guī)范變化對易損性的影響.Stewart用經(jīng)驗分析法得到住宅建筑的易損性函數(shù),基于假設模擬了現(xiàn)有住宅加固、抗風性能更高的新住宅比例上升對于風災損失的影響.Kumar建立了預測某一區(qū)域臺風風險變化的方法,其中的建筑承災體變化模型從評估區(qū)域內(nèi)人口結構變化入手,采用經(jīng)驗方法推算建筑數(shù)目、分布、類型隨時間的變化;建筑易損性變化模型分析建筑規(guī)范變更、技術革新、拆除舊建筑和建造新建筑、結構老化及加固對易損性的影響;經(jīng)濟變化模型分析建造成本的通貨膨脹、建筑及其內(nèi)部財物價值變化對風災損失的影響.8風災易損性分析通過不確定性和敏感性分析,可以甄別對于結構臺風災害風險有顯著影響的因素及其相對重要程度,明確進一步細化研究的重點.文獻分析了結構臺風災害風險評估中不確定性的來源.Iman等基于拉丁超立方抽樣法(Latinhypercubesampling)進行敏感性分析和不確定性分析.Iman等發(fā)現(xiàn)風場模型的不同是造成臺風損失估算差異的主要因素.Li研究了木結構住宅風災易損性對建筑封閉狀態(tài)、屋檐高度、有無挑檐、玻璃破壞模式、屋面板鋪釘形式等的敏感性,并定量分析了不同臺風風場和構件抗力